The Dynamic Positioning (DP) systems currently available employ a feedback controller based on the position and heading error, associated with a wind feed-forward control action to keep the vessel position. This last technology improves the eficiency of the DP by anticipating wind loads. However, there is no consolidated technology to feed the controller with wave loads information and the major issue is related to the wave measurement process. The present thesis aims at filling this technological gap by proposing an alternative approach for the measuring of waves near the vessel. Image-based measurement methods are noninvasive and can produce a spatial and temporal description of the surface, making them suitable for recovering the geometry of liquid surfaces. Nevertheless, these surface reconstruction methods, particularly those applying stereoscopic approaches, have dificulty in measuring waves produced in laboratory facilities, mainly because, in such conditions, the water surface is smooth, translucent and highly specular. Alternatively, intensity based image methods are capable of dealing with these surface characteristics, if employed under controlled conditions and if a suitable reflectance model is selected. In the present study, a well-known reflectance model is applied to recover the parameters of regular waves produced in an offshore basin. Firstly, an experimental setup is proposed, designed to grant appropriate conditions for the application of the reflectance model, even under conventional laboratory illumination. Later, the second set of experiments with a model scale DP vessel are presented, which applied the image-based method developed before as a wave feed-forward system. Three control methods are evaluated, namely: PID, PD (Proportional-Derivative) and the PD with the wave feed-forward. Results demonstrated that the presence of the wave feed-forward reduced the steady error of the PD controller. These are the first steps towards the practical use of the wave feed-forward, and several aspects remain pending. However, the promising results and discussions regarding the future steps define the contribution of this work. / Os sistemas atuais de Posicionamento Dinâmico (DP) empregam técnicas de controle baseadas na realimentação da posição e do aproamento, associadas à compensação antecipada das cargas de vento (wind feed-forward) para manter a posição da embarcação. Esta tecnologia melhora a experiência do DP, pois antecipa a ação do vento. Entretanto, não há tecnologia consolidada para a pré-compensação de forças ondas (wave feed-forward) e o maior desafio reside na medição desses agentes ambientais. A presente tese tem como objetivo preencher essa lacuna tecnológica propondo uma abordagem alternativa para a medição das ondas próxima ao casco. Métodos de medição baseados em imagem são não invasivos e produzem descrições espaciais e temporais da superfície analisada, tornando-os particularmente adequados à medição de superfícies líquidas. Entretanto, os métodos comumente empregados, principalmente aqueles baseados em imagens estéreo, são incapazes de medir ondas produzidas em ambiente de laboratório, pois, nestas condições, a superfície da água é lisa, apresenta transparência e comporta-se como um espelho. Por outro lado, métodos baseados na intensidade de luz são capazes de lidar com tais características, se aplicados em condições adequadas e quando empregam modelos apropriados. Neste trabalho, um modelo de reetância amplamente conhecido é empregado para extrair os parâmetros principais de ondas regulares produzidas em um tanque de provas offshore. Inicialmente, propõe-se um arranjo experimental que permita a aplicação do modelo de refetância construído, mesmo sob as condições de iluminação naturais do laboratório. Posteriormente, um segundo conjunto de experimentos com um modelo de embarcação DP é proposto, no qual se aplica o método baseado em imagem, testado anteriormente, como sistema de pré-compensação de forças de onda. Três métodos de controle são avaliados, quais sejam: PID (Proporcional-Integral-Derivativo), PD (Proporcional-Derivativo) e o PD-WFF (PD associado ao wave feed-forward). Os resultados demonstram que a presença pré-conpensação de forças de onda reduz o erro em regime do controlador PD. Estes são os primeiros passos em direção da incorporação da pré-compensação de forças de onda nos sistemas DP reais e diversos aspectos técnicos ainda estão pendentes. Entretanto, os resultados promissores e discussões acerca dos futuros passos da pesquisa definem a contribuição do presente trabalho no campo do Posicionamento Dinâmico.

Nos últimos anos, tem se intensificado o desenvolvimento de novas tecnologias para serem aplicadas à veículos submersíveis não tripulados. Uma delas é a visão computacional, que tem o objetivo de extrair informações úteis das imagens captadas do ambiente, podendo ser utilizada como um sensor para o posicionamento do veículo, além de contribuir para o reconhecimento automático de objetos a serem inspecionados. A finalidade de um veículo submersível não tripulado é efetuar missões de inspeções ou pequenos reparos em estruturas submersas em meios oceânicos ou fluviais. Nessas operações, é importante que o veículo possua um controle autônomo, por meio de um sistema de posicionamento dinâmico, para facilitar a sua operação e garantir o sucesso da missão. Em função destas necessidades, este trabalho concentra-se no desenvolvimento de um sistema de visão computacional auxiliado por ponteiros de raio laser, que geram marcos visuais artificiais em ambientes não estruturados, possibilitando medir distâncias e ângulo de aproamento baseado no método da triangulação. Foram testados lasers com diferentes comprimentos de onda, em ambiente aéreo e subaquático, com diferentes índices de turbidez, nível de luminosidade e distância. Baseado nos resultados e utilizando o sistema de visão e laser como método de sensoriamento, foi projetado e implantado um sistema de posicionamento dinâmico para o plano horizontal, utilizando Filtro de Kalman. A avaliação do sistema de posicionamento dinâmico e do método de sensoriamento foi realizada por meio de simulação numérica e averiguação experimental, utilizando-se um modelo reduzido de um veículo de superfície no laboratório do Departamento de Engenharia Naval e Oceânica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Os resultados experimentais indicaram a viabilidade da aplicação do método de sensoriamento baseado em visão computacional e laser para sistemas de posicionamento dinâmico, mostrando-se um método simples, confiável, ativo e independente. / The development of new technologies to improve unmanned underwater vehicles has recently intensified. Computer vision, one such example, has the objective of extracting useful information from images captured in the environment; this information can facilitate vehicle positioning and the reconnaissance of objects to be inspected. Purposes of unmanned underwater vehicles include inspection missions and small repairs in underwater structures located in oceans or rivers. For these operations it is important for the vehicle to have an autonomous control system using dynamic positioning system to facilitate its operation and to guarantee the missions success. Given these necessities, this study concentrates on the development of a computer vision system supported by laser pointing devices that generate artificial landmarks in non-structured environments, facilitating distance and angle measurement based on the triangulation method. Lasers of different wavelengths were tested in air and underwater environments, where the latter had different indices of turbidity, levels of luminosity, and distance. Based on the results and utilizing the system of vision and laser as a sensor method, a dynamic positioning system for the horizontal plane has been created through the use of Extended Kalman Filter. The evaluation of this dynamic positioning system and of the sensor method was accomplished through numeric simulation and experimental checks using a reduced model of a surface vehicle, located in the University of São Paulos Department of Naval and Oceanic Engineering. The experimental results show that the application of the sensor method based on laser and computer vision for the dynamic positioning system is viable and proved to be an independent, active, reliable, and simple method.

A exploração do petróleo no Brasil tem migrado para águas cada vez mais profundas; os campos de exploração estão cada vez mais distantes da costa e em regiões com condições meteoceanográficas cada vez mais severas. Isto, e o recente volume de novas descobertas e novos campos de exploração têm impulsionado as indústrias deste setor na busca por novas soluções para a exploração deste óleo. Uma destas soluções inovadoras são os FPWSO DP (Floating Production Storage Workover Offloading Dynamic Positioning Unit). Estas são unidades de produção, dotadas de sondas de perfuração e de sistema de posicionamento dinâmico. A utilização de unidades de posicionamento dinâmico para produção continua de campos de petróleo é algo novo no mundo. Por se tratar de plataformas que devem permanecer por vários meses produzindo de forma ininterrupta, o estudo de confiabilidade de seu sistema de posicionamento dinâmico é de vital importância. Este trabalho apresenta um estudo de confiabilidade para este tipo de embarcação. Serão avaliados todos os sistemas relacionados ao posicionamento dinâmico da unidade, entre eles, sistema de geração de energia, sistema de propulsão, controladores DP e sistemas de referência de posição. O trabalho apresenta também um estudo de confiabilidade do sistema de conexão e desconexão de emergência com o poço; sistema este que é a ultima salvaguarda caso haja uma perda de posição na unidade. / The exploitation of oil in Brazil has migrated to deeper and deeper waters; the exploration fields are increasingly distant from the coast and in regions with meteoceanográficas conditions increasingly severe. This, and the recent volume of new discoveries and new exploration fields have driven industries of this sector in the search for new solutions to the exploitation of this oil. One of these innovative solutions are FPWSO DP (Floating Production Storage Offloading Workover Dynamic Positioning Unit). These are production units, equipped with drilling rigs and dynamic positioning system. The use of dynamic positioning units for continuous production of oil fields is something new in the world. Because it is platforms that must remain for several months producing uninterrupted, the study of reliability of its dynamic positioning system is of vital importance. This paper presents a reliability study for this type of vessel. We will evaluate all systems related to the dynamic positioning of the unit, including, power generation system, propulsion system, DP controllers and position reference systems. The paper also presents a study of connection of system reliability and emergency disconnect with the well; which system is the last safeguard in case there is a loss of position in the unit.

Buoys anchored to the seabed are often used for marking courses in competitive sailing and other water sports, but they may need to be relocated several times per day. To avoid the time and fuel consuming labour of raising and moving the anchors, a prototype of an autonomous buoy using electric motors to maintain its position was built and tested. The prototype buoy was built as a catamaran pontoon boat with one motor in each hull. To navigate it used a Global Navigation Satellite Systems receiver and a compass as sensors. Based on information from the sensors, a microcontroller regulated the buoy’s heading and velocity using proportional, integral and derivative control. The prototype was tested and evaluated in terms of design suitability, control system performance and dynamic positional precision. Except for leaking propeller axle seals the general design of the buoy was found suitable, as was the PID control system. However, while the GNSS position was sufficiently accurate when stationary, it would not register movement smaller than approximately 30 m. Consequently the buoy was only able to stay within 19.8 m of the target location on average. The performance maybe improved by either using a different GNSS receiver, or upgrading to Real Time Kinematics GNSS. / Bojar förankrade till havsbottnen används ofta för att märka ut banan i kappsegling eller andra vattensporter, men kan behöva flyttas flera gånger per dag. För att undvika det tids- och bränslekrävande arbetet av att lyfta och flytta ankarna byggdes och testades en prototyp av en autonomboj som håller sin position med hjälp av elmotorer. Prototypbojen byggdes som en pontonbåt i katamaranutförande med en motor i varje skrov. För att navigera använde den en mottagare för Global Navigation Satellite Systems och en kompass som sensorer. Baserat på information från sensorerna styrde en mikrokontroller bojens kurs och hastighet med proportionella, integrerande och deriverande regulatorer. Prototypen testades och utvärderades med avseende på konstruktionens lämplighet, reglersystemets prestanda och dynamisk positioneringsprecision. Förutom läckande propelleraxelstätningar ansågs den generella designen var lämplig, likaså PID-reglersystemet. Aven om den stillastående GNSS-positionen var tillräckligt exakt, så registrerades inte rörelser mindre än 30 m. Följaktligen kunde bojen bara hålla sig inom 19.8 m från målpositionen i genomsnitt. Prestandan skulle kunna förbättras med en annan GNSS mottagare eller genom att uppgradera till Real Time Kinematics GNSS.

Critical automated maneuvers for ships typically require a redundant set of thrusters. The motion control system hierarchy is commonly separated into several layers using a high-level motion controller and a thruster allocation (TA) algorithm. This allows for a modular design of the software where the high-level controller can be designed without comprehensive information on the thrusters, while detailed issues such as input saturation and rate limits are handled by the TA. However, for a certain set of thruster configurations this decoupling may result in poor control performance due to the limited knowledge in the high-level controller about the physical limitations of the ship and the behavior of the TA. This thesis investigates different approaches of improving the control performance, using nonlinear Model Predictive Control (MPC) as a foundation for the developed motion controllers due to its optimized solution and capability of satisfying constraints. First, a decoupled system is implemented and results are provided for two simple motion tasks showing problems related to the decoupling. Thereafter, two different approaches are taken to remedy the observed drawbacks. A nonlinear MPC controller is developed combining the motion controller and thruster allocation resulting in a more robust control system. Then, in order to keep the control system modularized, an investigation of possible ways to augment the decoupled system so as to achieve similar performance as the combined system is carried out. One proposed solution is a nonlinear MPC controller with time-varying constraints accounting for the current limitations of the thruster system. However, this did not always improve the control performance since the behavior of the TA still is unknown to the MPC controller.

Hoje em dia com o crescente aumento da exploração de petróleo e gás em águas profundas, há um aumento na demanda por operações offshore envolvendo a cooperação entre unidades flutuantes. Tais operações requerem um alto nível de planejamento e coordenação, o que na maioria dos casos é feito com a troca de informação no nível de operação, com cada unidade flutuante comandada independentemente. Exemplos de operações deste tipo vão desde operações de alívio passando por operações de instalação de equipamento submarino, até operações de pesquisa envolvendo múltiplas unidades flutuantes dotadas de sistema de posicionamento dinâmico (DP). As vantagens do controle cooperativo surgem com a redução do erro da distância relativa durante a manutenção do posicionamento ou durante a execução de manobras de posicionamento conjuntas. No presente trabalho, os conceitos de controle de consenso são aplicados de forma combinada com o sistema DP de cada navio. A influência dos ganhos do controlador cooperativo no sistema como um todo será discutida, utilizando-se técnicas de análise da resposta em frequência. Simulações completas no domínio do tempo e experimentos usando modelos em escala serão utilizados para se demonstrar o funcionamento do controle cooperativo. Todas as simulações serão conduzidas no simulador Dynasim e os ensaios experimentais no tanque de provas da Engenharia Naval da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Além disso, serão feitas comparações entre os experimentos em tanque de provas e simulações numéricas equivalentes, demonstrando-se a validade dos ensaios numéricos. Será também demonstrado que os requisitos de projetos adotados são atendidos pelos ensaios em tanque de provas. . / With the increasing of deep water oil & gas exploration, there is also an increase in the demand by offshore operations involving muti-vessels. Such operations require a high level of planning and coordination, which in most of the cases is made by information exchange at the operation level, being each vessel commanded independently. Examples of such operations are offloading, subsea equipment installation and subsea research operation; all of them involving multiples dynamically positioned (DP) vessels. The advantage of the cooperative control arises with the reduction of the relative positioning error during station keeping or transient maneuvers. In this work, the consensus control concepts are applied combined with the DP System of each ship. The cooperative DP controller will be investigated with the analysis of the coupled dynamics of the vessels. The influence of the cooperative control gains on the whole system will be discussed, using the frequency response of the open loop system. Fully nonlinear time-domain simulations and experimental results will be used to demonstrate the operation of the cooperative control. Besides that, comparisons between the small-scale experiments and equivalent numerical simulations will be carried out, validating the experimental results. It will also be demonstrated that the adopted design requirements are met. All tests will be carried out using the Dynasim numerical simulator and the small-scale experiments will be carried on the academic towing tank in the Naval Architecture and Ocean Engineering Department, Polytechnic School of University de São Paulo.

This thesis defines and applies a methodology for analyzing the possibility of extending the operating sector of DP shuttle tankers for offloading operations in Spread Moored FPSO Platforms. Extending the operating sector is beneficial to increase operations\' availability and to reduce DP power demand under certain environmental conditions. This study is important, since several emergency disconnections have occurred during offloading in Santos Basin because the shuttle tanker was pushed out of the green sector by environmental resultants that pointed to the West. However, this proposal has to be carefully analyzed in order to guarantee the operations\' safety and not to increase the risks of collision between FPSO and shuttle tanker, of oil pollution and of personnel safety. The methodology consists in five basic steps: Preliminary Risk Analysis to assess the potential hazards associated with the new sector; evaluation of the uptime gain through static analysis; evaluation of DP power demand inside the original and extended sector; real time simulations to evaluate the operation in a realistic environment; and, finally, field tests to validate the proposal. This thesis presents the contextualization of the problem, a bibliographical research, theoretical concepts, the detailed methodology and results of each step. The results show that the average uptime gain is significant both in Campos and Santos Basins - up to 9% and 13% respectively - and that the additional risks created by the sector extension are well mitigated if some recommendations are put into place. The conclusion of this thesis is that extending the operating sector is not only beneficial but also safe. / Esta dissertação define e aplica uma metodologia para analisar a possibilidade de extensão do setor operacional de navios aliviadores DP para operações de offloading em plataformas FPSO ancoradas em Spread-Mooring. Esta proposta apresenta como vantagens o aumento da disponibilidade das operações e redução na demanda de energia do navio DP em certas condições ambientais. O estudo é importante tendo em vista que várias desconexões de emergência já ocorreram durante operações de alívio na Bacia de Santos, porque o navio-tanque foi empurrado para fora do setor verde por resultantes ambientais que apontavam para oeste. No entanto, a proposta deve ser cuidadosamente analisada para garantir que o novo setor não aumenta os riscos de colisão, de poluição ambiental e de segurança às pessoas. A metodologia consiste em cinco etapas básicas: Análise Preliminar de Riscos (APR); avaliação do ganho de disponibilidade da operação; avaliação da demanda de energia do sistema DP nos setores original e estendido; simulações de manobra em tempo real; e, finalmente, testes em campo para validação da proposta. Esta dissertação apresenta a contextualização do problema, pesquisa bibliográfica, conceitos teóricos, a metodologia detalhada e os resultados de cada etapa. Os resultados mostram que o ganho médio de disponibilidade é significativo nas bacias de Campos e de Santos - até 9% e 13%, respectivamente - e que os riscos adicionais criados pela extensão do setor são devidamente mitigados se as recomendações levantadas na APR forem implementadas. A conclusão desta dissertação é que estender o setor operacional é, não somente benéfico, mas também seguro.

Este trabalho tem como objetivo central o desenvolvimento da infra-estrutura de sensoriamento e atuação para a avaliação de Sistemas de Posicionamento Dinâmico de modelos reduzidos de embarcações em tanques de provas. Ele descreve a concepção, o projeto, a implementação e os testes de um sistema sensor de posição e orientação do modelo, assim como o hardware dos propulsores utilizados como atuadores do modelo. O sistema sensor é baseado na emissão e recepção de sinais acústicos sincronizados de alta freqüência (ultra-som). Utiliza-se o Método Esférico 3-D como algoritmo de triangularização, obtendo-se a estimativa da posição por meio da minimização de uma medida quadrática do erro. Além disso, foi também aplicado o filtro estendido de Kalman como algoritmo de estimação. São apresentadas de forma clara e objetiva as dificuldades encontradas no decorrer do desenvolvimento do trabalho, bem como as soluções adotadas para contorná-las, analisando as influências das condições atmosféricas e do ambiente laboratorial no processo de medição, os resultados obtidos a partir dos ensaios, a robustez e o desempenho do sistema sensor. / The main objective of this work is the development of both sensing and actuation infra-structure for the performance evaluation of Dynamic Positioning Systems for reduced scale model of ships in towing tanks or offshore tanks. It describes the conception, design, implementation and tests of a range and orientation sensor system, as well as the hardware of the propellers used as the model actuators. The sensor system is based on the emission and reception of high frequency synchronized accoustic signals (ultra-sound). A 3-D spherical method based on the minimization of a quadratic measure of the error is used to estimate the position of the ship model. Furthermore the extended Kalman filter is also used. The difficulties found during the development of the project are presented as well as the solutions adopted to circumvent them. The experimental results obtained are discussed. In particular, the influence of both the local atmosphere and the lab environment on the performance of the sensor system are taken into account.

Made available in DSpace on 2017-07-10T17:11:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Antonio_Chiella.pdf: 1495489 bytes, checksum: c662fb0b19b070474b00c5dcbb37ba11 (MD5) Previous issue date: 2015-02-27 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In recent years, there has been a growth in the interest of industry and the scientific community for autonomous platforms, among these so-called AUVs (Autonomous Underwater Vehicle). Part of this interest is due to technological progress, with improved electronics and the reduction of its cost. Another part is due to application of this equipment in a variety of tasks such as inspection and maintenance of underwater structures in marine environment (oil and gas platforms) and recently inspection of hydroelectric plants. These robots allow the removal the operator of the region conducting task, reducing the risks in carrying it. In an attempt to make these fully autonomous platforms, reducing the efforts of the operator, challenges related to its control position emerge. In this work, the AUVs positioning control problem is addressed. The kinematic and dynamic models for the 6 degrees of freedom of these robots, as well as the modeling of the actuators and the external disturbances are presented. Characteristics of the mathematical model are used in the controller design, titled CMDG (Global Sliding Mode Control). The proposed controller is based on the sliding mode control, and its sliding surface was modified so as to delete the so called reaching phase. Numerical simulations show the good performance of the proposed controller when subjected to disturbances such as current, non-zero buoyancy and initial position errors. / Nos últimos anos, houve um crescimento no interesse da indústria e da comunidade científica por plataformas autônomas, entre essas os chamados AUVs (do inglês, Autonomous Underwater Vehicle). Parte deste interesse se deve ao avanço tecnológico, com a melhoria dos equipamentos eletrônicos e a diminuição de seu custo. Outra parte se deve a aplicação destes equipamentos em tarefas variadas, como inspeção e manutenção de estruturas subaquáticas em ambiente marinho (plataformas de óleo e gás) e recentemente inspeção de usinas hidrelétricas. Estes robôs permitem o afastamento do operador da região de realização da tarefa, reduzindo os riscos na execução da mesma. Na tentativa de deixar estas plataformas totalmente autônomas, diminuindo os esforços do operador, desafios relacionados ao seu controle de posição emergem. Neste trabalho, o problema do controle de posicionamento de AUVs é abordado. O modelo cinemático e dinâmico para os 6 graus de liberdade destes robôs, bem como a modelagem dos atuadores e das perturbações externas são apresentados. Características do modelo matemático são utilizadas no projeto do controlador, intitulado de CMDG (Controle por Modos Deslizantes Global). O controlador proposto, é baseado no controle por modos deslizantes, sendo sua superfície de deslizamento modificada, de forma a se eliminar a chamada fase de alcance. Simulações numéricas, mostram o bom desempenho do controlador proposto quando submetido a perturbações como correnteza, flutuabilidade não nula e erros de posição inicial.

Aquesta tesi tracta el problema del posicionament de robots mòbils quan, en el decurs del moviment, es realitzen mesures angulars relatives al robot de l'orientació de la recta entre un dels seus punts i punts de l'entorn de posició coneguda. Es considera que les mesures angulars són fetes per un sensor làser giratori que detecta diferents reflectors catadiòptrics fixos.La contribució principal és el desenvolupament d'un algorisme dinàmic, basat en un filtre de Kalman estès (EKF), que estima a cada instant de temps l'estat format pels angles associats als reflectors. La simulació hodomètrica dels angles entre mesures directes del sensor làser garanteix l'ús consistent i continuat dels mètodes de triangulació per a determinar la posició i l'orientació del robot.Inclou simulacions informàtiques i experiments per a validar la precisió del mètode de posicionament proposat. En l'experimentació s'utilitza un robot mòbil omnidireccional amb tres rodes de lliscament direccional de corrons esfèrics. / This thesis focuses on mobile robot positioning methods based on angular measurements, relative to the robot frame and made during its motion, of the orientation of the straight lines between one of its points and known artificial landmarks. The angular measurements are assumed to be done by a rotating laser scanner that detects different catadioptric landmarks on the workspace.Its main contribution is the development of a dynamic algorithm based on an extended Kalman filter (EKF) that estimates at any time the state-vector of the landmark relative angles. The odometric simulation of landmark angles between actual measurements guarantees the consistent and continuous use of the triangulation methods to determine the robot position and orientation.It includes computer simulations and experiments in order to validate the accuracy of the proposed positioning method. In the experiments, an omnidirectional mobile robot with three directionally sliding wheels made of spherical rollers has been used.